國外近40年來對軸向柱塞泵馬達(dá)研究的綜述

來源：蕪湖贏諾液壓科技有限公司發(fā)布時(shí)間：2021-10-19 14:38:00 點(diǎn)擊：

斜盤軸向柱塞泵馬達(dá)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以達(dá)到較高的效率和耐壓，因此，成為液壓技術(shù)中的王牌元件。但由于其一般有至少四對滑動(dòng)摩擦副：配油盤-缸體、缸體-柱塞、柱塞頭-滑履球窩、滑履-斜盤，潤滑狀況復(fù)雜，因此，耐久性就成為其關(guān)鍵指標(biāo)，也是國內(nèi)產(chǎn)品與世界先進(jìn)水平差距最大的一方面。

相比于普通滑動(dòng)軸承，作用在軸向柱塞泵的摩擦副上的負(fù)荷、壓力分布、幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系要復(fù)雜得多。由于各個(gè)滑動(dòng)點(diǎn)的耦合，柱塞在球窩接頭和缸體孔內(nèi)具有不確定的自由度，使得摩擦接觸的計(jì)算相當(dāng)困難。就拿柱塞來說，柱塞雖然也有類似普通滑動(dòng)軸承中的軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，有軸向的平動(dòng)，但還受到一個(gè)由滑履作用給柱塞的，在承載面積(缸體)之外的側(cè)向力，使得柱塞帶來的摩擦損失成為功率損失的主要部分。因此，在傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承理論基礎(chǔ)上積累的經(jīng)驗(yàn)，只能有限地應(yīng)用van der Kolk(1972)最早嘗試研究柱塞-缸體間的摩擦力問題。他設(shè)計(jì)建立了一臺(tái)斜盤試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，由于實(shí)驗(yàn)的斜盤旋轉(zhuǎn)軸與柱塞軸線重合，因此，柱塞無軸向運(yùn)動(dòng)，只受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的側(cè)向力。在實(shí)驗(yàn)和理論上，他避開了由于柱塞軸向運(yùn)動(dòng)的承載壓力分布，把摩擦學(xué)問題簡化為一個(gè)傾斜的，外部側(cè)向加載的單邊邊緣壓力增高的滑動(dòng)軸承。他特別關(guān)注了柱塞伸出最多的位置(下死點(diǎn))。間隙中壓力分布的測量結(jié)果表明，壓力積聚主要發(fā)生在間隙的邊緣區(qū)域。在理論研究部分，他第一次采用數(shù)值解法解雷諾方程。Renius(1974)認(rèn)識(shí)到 van der Kolk 試驗(yàn)臺(tái)的局限性，提出了一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，考慮了柱塞的軸向運(yùn)動(dòng)。他使用了一個(gè)完全靜壓承載的測量套和一個(gè)補(bǔ)償柱塞，把壓力與摩擦力分開來測量。這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)采用了一個(gè)與轉(zhuǎn)角相關(guān)的閥控，從而可以模擬泵、馬達(dá)，或者等壓工作，即柱塞在縮回和伸出時(shí)都承受壓力。這樣，就能夠?qū)嶒?yàn)?zāi)M所有在實(shí)際工作中出現(xiàn)的狀況。在實(shí)際工作中不會(huì)直接發(fā)生的等壓操作非常適合于了解在柱塞上發(fā)生的摩擦的大致狀況。他進(jìn)行了參數(shù)廣泛的試驗(yàn)，壓力 15 至 200bar，傾斜角 0 到 20°，速度2000 至 100r/min。此外，他還進(jìn)行了特殊的起動(dòng)試驗(yàn)。他以經(jīng)典滑動(dòng)軸承理論的形式展示他的試驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)討論了相似性準(zhǔn)數(shù)，如 Sommerfeld 數(shù)，或 Gümbel-Hersey 數(shù)在他的測試中的有效性和適用性。他從實(shí)驗(yàn)獲得的主要結(jié)果如下。

1)柱塞-缸體的滑動(dòng)摩擦特性可以從驅(qū)動(dòng)角進(jìn)行描述，證明了 Stribeck 曲線在明顯的混合摩擦區(qū)域的有效性。

2)展示了相似準(zhǔn)數(shù) Gü= ηω / р 的良好可用性，這里， η 是粘度， ω 是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速， p 是柱塞孔內(nèi)壓力。指出，如 van der Kolk 所描述的邊緣壓力增加的影響，對柱塞-缸體接觸無實(shí)際意義。

3)柱塞的摩擦對馬達(dá)的起動(dòng)特性起決定性作用，這導(dǎo)致起動(dòng)損失會(huì)達(dá)到馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩的13～16%。同時(shí)，在滑履處經(jīng)常出現(xiàn)大的泄漏，這可用球頭和柱塞間有很大的旋轉(zhuǎn)摩擦力來解釋。

4)柱塞相對驅(qū)動(dòng)角的轉(zhuǎn)動(dòng)不在所有工作點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)一致。從理論上考慮，得出的結(jié)論是，相對轉(zhuǎn)動(dòng)對摩擦特性是不利的。

5)柱塞的直線運(yùn)動(dòng)對于支撐壓力的建立，從而使摩擦副表面分離，在馬達(dá)模式具有特別重要的意義，這點(diǎn)通過變參數(shù)的測試被證實(shí)。

6)他在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有困油現(xiàn)象，但認(rèn)為影響不顯著。

7)柱塞和缸體之間的間隙在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出對摩擦進(jìn)程影響極大，建議小于柱塞直徑的1%。間隙的下限應(yīng)由充分的潤滑，而不應(yīng)由泄漏的要求來確定。

8)他對柱塞-缸體配合的設(shè)計(jì)提出建議：對泵，采用光滑的不帶均壓槽，帶短的導(dǎo)向段的短柱塞，對馬達(dá)則采用長的導(dǎo)向段。Dowd 和 Barwell(1974)建立了一個(gè)研究柱塞和缸體間摩擦的試驗(yàn)臺(tái)。柱塞的直線運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，未考慮側(cè)向力。測量是基于恒壓力原則。作為創(chuàng)新，使用了一個(gè)金屬接觸傳感器：通過測量摩擦副之間的電阻變化來檢測是否接觸。他們研究了柱塞粗糙度和材料副的影響，從而確定，降低表面粗糙度到一定程度后，摩擦力不會(huì)繼續(xù)減小。

Regenbogen(1978)使用了與 Renius 基本相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。除了帶滑履的柱塞外，他還研究了帶球頭的柱塞和連桿支撐的柱塞(斜軸泵)。作為研究結(jié)果，他提出了一系列設(shè)計(jì)建議：如最大偏轉(zhuǎn)角，低成本的材料副，柱塞的間隙和導(dǎo)向長度。對于馬達(dá)，他建議，長導(dǎo)向柱塞，但可以有一個(gè)中斷，以減少高速時(shí)的損失。幾乎在同時(shí)，B?inghoff(1977)推進(jìn)了對軸向柱塞機(jī)械的滑履的研究。他成功地從理論上導(dǎo)出了滑履對斜盤滑動(dòng)面的傾斜作用力，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。柱塞所受的力和在柱塞及滑履之間的球窩接頭的力都被包括在計(jì)算中。根據(jù)他的研究，滑履和斜盤之間的最小間隙點(diǎn)的橢圓軌跡，和斜盤平面與柱塞軸的交點(diǎn)橢圓軌跡并不重合。了解了相對速度和滑履下的間隙變化，可以計(jì)算出滑履相對旋轉(zhuǎn)角的損失流量。

Hooke 和 Kakoullis(1981)的試驗(yàn)也主要研究滑履-柱塞的接觸。一系列試驗(yàn)的結(jié)果表明，柱塞的相對轉(zhuǎn)動(dòng)隨驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速增加而減小，這一點(diǎn) Renius 也曾發(fā)現(xiàn)。此外，壓力增加時(shí)，柱塞更傾向旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榍蚋C接頭處由于壓力增加導(dǎo)致的摩擦力的增加高于柱塞側(cè)向力的增加。

Renvert(1981)提出了多種研究液壓馬達(dá)的低速和起動(dòng)特性的測試方法。作為最常用的方法是強(qiáng)制恒速旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@樣可以避免其他的方法(在恒定負(fù)載下起動(dòng)，固定住馬達(dá)軸，定流量)測試結(jié)果的很大的離散 。他特別系統(tǒng)化地進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果被 ISO 4392-1 采納，推薦為測量馬達(dá)起動(dòng)和低速特性的方法。Weiler(1982)用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法研究了馬達(dá)柱塞結(jié)構(gòu)對低速特性的影響。他對各種接觸點(diǎn)的摩擦和泄漏狀況進(jìn)行了詳細(xì)的研究，把結(jié)果與仿真比較。仿真模型盡管在建立時(shí)某些部分作了一些顯著簡化，還是可以較好地再現(xiàn)馬達(dá)的特性。因此，他首次可以，不直接在各柱塞測試，而展示馬達(dá)低速和起動(dòng)時(shí)在滑履處泄漏增加的問題 。

Koehler(1984)研究了在馬達(dá)起動(dòng)時(shí)柱塞–缸體間隙中由于摩擦力的壓力分布。他的實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括一個(gè)由缸體驅(qū)動(dòng)的柱塞和一個(gè)側(cè)向力缸，通過這個(gè)缸可以自由地施加側(cè)向載荷。他建立的仿真模型可以計(jì)算出，考慮到柱塞彎曲變形后間隙中的壓力分布。他提出，為了得到最佳的起動(dòng)和低速特性，柱塞–缸體間的最佳間隙必須約為柱塞直徑的1‰。

Ivantysynova(1985)第一次使用雷諾和能量方程對間隙中的非等溫流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并和測試結(jié)果比較 。能量方程模型采用了 Vogelpohl 的耗散函數(shù)作為源項(xiàng)。測試裝備包括一個(gè)雙孔的旋轉(zhuǎn)斜盤泵，其排出腔可以通過控制閥短路。Ezato 和 Ikeya(1986)建立了一個(gè)研究柱塞-缸體摩擦力的測試臺(tái)。通過一個(gè)支承在滾動(dòng)軸承上的測量套，把側(cè)向力與軸向力分開測量，因此，只能施加較小的側(cè)向力。該測試是在恒壓模式進(jìn)行的，重點(diǎn)是起動(dòng)與低速特性。研究了柱塞表面粗糙度、材料和硬表層的影響，后者在試驗(yàn)當(dāng)時(shí)表明還不適用。Jacobs(1993)采用人為添加污染顆粒的方法對泵馬達(dá)進(jìn)行試驗(yàn)，提出，采用一種替代材料與(通過物理氣相沉積 PVD 的)硬表層的組合，可顯著提高軸向柱塞泵的耐磨特性及滑動(dòng)特性。Fang 和 Shirakashi(1995)對軸向柱塞機(jī)械進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究 。他們的仿真模型，雖然解了柱塞行程所有位置的雷諾方程，但沒有考慮由于壓力排油引起的動(dòng)態(tài)壓力積聚效應(yīng)。所進(jìn)行的測量顯示了柱塞相對轉(zhuǎn)動(dòng)的有益作用，與 Renius 和 Regenbogen 所說的相反。

Donders(1998)用多種實(shí)驗(yàn)研究了各種摩擦副的影響，并將獲得的認(rèn)識(shí)應(yīng)用到用于高水基液(HFA)的軸向柱塞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 。他研發(fā)了測量柱塞和滑履的摩擦與壓力分布的裝置。測量柱塞摩擦的試驗(yàn)臺(tái)含有一個(gè)與力傳感器外殼相連的柱塞。該柱塞具有一安裝在柱塞底部的楔形間隙補(bǔ)償柱塞。為了模擬柱塞和缸體間的相對運(yùn)動(dòng)，缸體由一曲柄驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作用在柱塞球頭的側(cè)向力由一個(gè)外部壓力缸產(chǎn)生。Jang、Oberem 和 vanBebber也使用了同一測試臺(tái)，部分略作修改。

Donders 利用了一個(gè)特殊的摩擦計(jì)進(jìn)行滑履摩擦力試驗(yàn)。斜盤在旋轉(zhuǎn)，壓緊力類似真實(shí)機(jī)。在試驗(yàn)中柱塞的傾斜被忽略。試驗(yàn)表明，計(jì)算出來的滑履的密封突起之間的壓力分布可以與測量數(shù)據(jù)非常好地吻合，并且可以預(yù)期，在相對速度較高時(shí)，滑履會(huì)由于液體動(dòng)力而浮起。

Donders 試圖從測量到的各個(gè)摩擦副的損耗導(dǎo)出整臺(tái)機(jī)器的損耗，在一定程度上獲得成功。然而，事實(shí)證明，要較準(zhǔn)確地仿真斜盤機(jī)的工作過程，至關(guān)重要的是設(shè)計(jì)出接近實(shí)際工況的測量裝置。尤其是軸向柱塞機(jī)械摩擦部件之間復(fù)雜的相互作用必須要在設(shè)計(jì)測量裝置時(shí)就考慮進(jìn)去。

Manring(1999)采用了與 Ezato 和 Ikeya 相同的安裝在滾動(dòng)軸承上的測量套來測量柱塞-缸體之間的摩擦力。在這里，斜盤不旋轉(zhuǎn)，只做往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生柱塞的行程，所以沒有模擬圓周運(yùn)動(dòng)的側(cè)向力。根據(jù)測試結(jié)果為混合摩擦區(qū)導(dǎo)出了一條用指數(shù)函數(shù)逼近的 Stribeck 曲線。在模型中沒有考慮由柱塞的伴隨運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓膜效應(yīng)。沒有試驗(yàn)低速區(qū)域。

Tanaka(1999)通過實(shí)驗(yàn)研究了柱塞的剛性和柱塞端面處宏觀幾何形狀對起動(dòng)和摩擦力的影響 。試驗(yàn)臺(tái)使用了類似 Renius 試驗(yàn)臺(tái)由靜壓支承的測量套。一個(gè)剛性較低的柱塞會(huì)導(dǎo)致較低的摩擦力(長導(dǎo)向柱塞，在混合摩擦區(qū)測量)。

Zhang Yangang(張延剛，2000)研究了改善軸向柱塞機(jī)械的低速和起動(dòng)特性的措施 。他借助恒定強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)的方法(參見 Renvert)分析了馬達(dá)中的摩擦和泄漏。為了加深分析，他使用了多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，包括 Donders 的帶可移動(dòng)缸套，側(cè)向力部位固定的單柱塞試驗(yàn)臺(tái)，等效最低轉(zhuǎn)速相當(dāng)于 5r/min。他把他在一個(gè)斜盤馬達(dá)試驗(yàn)中測到的摩擦和泄漏損失量化：馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩只有理論轉(zhuǎn)矩的 77%，柱塞-缸體間摩擦損失 8.7%，柱塞-滑履間損失 6.1%，缸體-斜盤間 3.8%，滑履-斜盤間 3.1%，其余損失 1.0%。

Nevoigt(2000)研究了用硬表層改善液壓元件摩擦副的耐磨性。他利用液壓缸活塞桿進(jìn)行摩擦力試驗(yàn)，考察了磨損的的情況 。

Liu Ming(劉明，2001) 和 Krull(2001)考察了在軸向柱塞機(jī)械上柱塞帶有油潤滑的接觸，目的是把這種機(jī)械作為傳遞振動(dòng)的元件來仿真。Liu 提出了各個(gè)元件在以空間力作用為基礎(chǔ)的解析描述方程，而 Krull 通過廣泛的試驗(yàn)調(diào)查了所需要的剛性摩擦值和阻尼值。為此，他使用了三個(gè)不同的試驗(yàn)臺(tái)：試驗(yàn)臺(tái) 1，確定柱塞和缸體的剛度及其間的阻尼;試驗(yàn)臺(tái) 2，滑履球窩中的摩擦轉(zhuǎn)矩;試驗(yàn)臺(tái) 3，滑履的剛度和阻尼。Knull 沒有測量軸向和切向的摩擦力，而是從 Renius 的摩擦測量中評估。Knull 獲得的數(shù)據(jù)表明，在許多情況下柱塞運(yùn)行在混合摩擦區(qū)，而脈動(dòng)的側(cè)向力不足以使柱塞脫離混合摩擦區(qū)。Knull把在滑履球窩處的摩擦歸結(jié)為潤滑良好的混合摩擦;摩擦系數(shù)非常接近已知的青銅-鋼或黃銅-鋼的值。雖然這還是個(gè)問題，即，通過在特殊的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的一些測量所獲得的摩擦系數(shù)和近似公式是否足以精確反映實(shí)際機(jī)器的柱塞的摩擦特性，但 Liu 的工作表明，利用這些數(shù)據(jù)足以把軸向柱塞機(jī)器看作一個(gè)旋轉(zhuǎn)振蕩系統(tǒng)。因?yàn)槟Σ亮κ腔?Renius 的測量，因此在極低速運(yùn)行的范圍很難保證有效。

Kleist(2002)研發(fā)了一個(gè)計(jì)算柱塞摩擦與泄漏的仿真程序，求解了缸體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)柱塞的相對運(yùn)動(dòng)速度。從所謂的粗糙潤滑間隙的平均雷諾方程的穩(wěn)態(tài)和瞬變分量確定了作用在柱塞上的力。所使用的 AFM 模型(平均流動(dòng)模型)采用了基于 Partir 和 Cheng 研究的表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)方法 。此外，固體作用力部分采用了 Greenwood 和 Williamson 的接觸壓力模型建模。Kleist 表明，考慮表面粗糙度對間隙通過粗糙峰接觸的承載能力是非常重要的，特別是在低速時(shí)不可忽視。他還討論了能量方程在考慮了間隙中的溫度對壓力積聚的依賴性的通解，但得到的結(jié)果是，在他研究的情況下，不一定要考慮，但表示，這樣的考慮是有用的。為了驗(yàn)證他的理論模型，他建立了多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，特別重要的是，一個(gè)能進(jìn)行多種測試的內(nèi)部支撐的徑向柱塞泵——摩擦、溫度、間隙中的壓力積聚，一個(gè)如 Donders 的，缸體可動(dòng)，可對柱塞側(cè)向加載的試驗(yàn)臺(tái) 。除了對柱塞-缸體的摩擦接觸進(jìn)行仿真外，他還進(jìn)行了滑履-斜盤接觸部位的計(jì)算。他指出，密封環(huán)表面的輪廓及所有倒角在建模時(shí)都必須考慮，因?yàn)檫@對計(jì)算結(jié)果具有重大的影響。一個(gè)考慮所有滑動(dòng)接觸的計(jì)算，因?yàn)橛?jì)算時(shí)間過長而放棄。他根據(jù)一系列仿真的結(jié)果，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，長缸孔配合長柱塞的建議。上述對柱塞摩擦力的模擬發(fā)生在中等速度和較小的傾斜角(750r/min，15°)，與現(xiàn)代軸向柱塞馬達(dá)惡劣的工作條件不能相比。

Sanchen(2003)繼續(xù)了 Kleist 的工作，把柱塞腔中壓力積聚的動(dòng)態(tài)計(jì)算一并結(jié)合入泵馬達(dá)設(shè)計(jì)軟件 PUMA，從而可以輸出作用在斜盤調(diào)整機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)軸軸承的力。這里沒有考慮低速(<<500r/min)。研究表明，如果要描述柱塞-缸體間出現(xiàn)的摩擦的話，間隙中動(dòng)態(tài)壓力的積聚過程需要特別關(guān)注。

Wieczorek(2000)提出了一個(gè)描述斜盤機(jī)械間隙流動(dòng)的仿真模型 CASPAR 。它可以計(jì)算滑履-斜盤，柱塞-缸體和缸體-配油盤間的滑動(dòng)接觸。附帶可以模擬其中的機(jī)械(運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué))和液壓(在缸體腔的壓力建立)效應(yīng)。潤滑有效作用面不限于簡單的基本幾何形式，而是可以在一定限度內(nèi)自由確定。與 Kleist 和 Sanchen 研發(fā)的 BHM 和PUMA 程序不同，CASPAR 除了解雷諾方程外，還解了能量方程，從而可以考慮間隙中的非等溫過程。該程序需要知道所有界定間隙的部件的溫度和體積。發(fā)生在混合摩擦區(qū)的接觸力，由一個(gè)簡化的模型描述。計(jì)算的結(jié)果是壓力和溫度的分布以及間隙的泄漏。這項(xiàng)工作展示了這種計(jì)算的原則可行性，并給出了一些計(jì)算實(shí)例。這也表明，在柱塞-缸體接觸區(qū)可以認(rèn)為是混合摩擦。由于用于檢驗(yàn)的僅是非常高的轉(zhuǎn)速(>2000r/min)，接觸力的簡化計(jì)算被視為可靠的。

Olems(2001)的工作專注于仿真程序 CASPAR 的熱力學(xué)模型。他對該程序做了這樣的補(bǔ)充：在柱塞間隙產(chǎn)生的熱傳遞給缸體，并從那里傳遞給周邊殼體里的泄漏油，接觸力被再次借助一個(gè)簡化模型描述。在一個(gè)系列產(chǎn)品的缸體上裝了溫度傳感器的試驗(yàn)表明，仿真和測量結(jié)果相當(dāng)吻合。測量值被相對斜盤傾角和壓力表述。轉(zhuǎn)速和操作模式通過“名義轉(zhuǎn)速”給出，從圖中可以看出轉(zhuǎn)速 n>2000r/min。

Oberem(2002)研究了軸向柱塞泵的各個(gè)摩擦部位，目標(biāo)是研發(fā)一個(gè)用于高水基液(HFA)的軸向柱塞泵和馬達(dá)。他的試驗(yàn)臺(tái)是從 Donders 的曲柄驅(qū)動(dòng)柱塞套的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步發(fā)展而來。由于介質(zhì)的低粘度，幾乎所有的摩擦過程都發(fā)生在混合摩擦區(qū)域。柱塞摩擦試驗(yàn)，高速在 10-1500r/min，低速在 1-10r/min，都在恒壓力下進(jìn)行。僅在高速范圍測試了速度和壓力的依賴性，不同柱塞長度和間隙，以及伸出長度和柱塞環(huán)槽的影響。在低速范圍內(nèi)，重復(fù)進(jìn)行的測試結(jié)果很離散，其原因可以歸結(jié)為速度波動(dòng)和測量套的靜壓軸承失效。 由于固體摩擦占很大比例，因此測量到的摩擦力變化，如所預(yù)期的似一個(gè)純粹庫侖摩擦，而不是僅僅依賴于柱塞行程。為了解決混合摩擦問題，Oberem 提出了部件加硬表層，或用減摩擦材料，優(yōu)選陶瓷基替代。van Bebber(2003)探討了將梯度碳化層應(yīng)用于軸向柱塞機(jī)械 。這種工藝原則上可以用于軸向柱塞機(jī)械的所有摩擦部位，特別是可以代替缸體-配油盤和柱塞-缸體通常使用的有色金屬。他認(rèn)為特別有希望作為替代用的梯度硬表層 HfCg 和 ZrCg(梯度碳化鉿和碳化鋯層)的特點(diǎn)在于，在厚度為幾μm(中間值約 4μm)的層中，表面較軟，層中部較硬，在層與基體結(jié)合處又變得軟些，以獲得更好的附著效果。在研究中發(fā)現(xiàn)，在通常柱塞-缸體接觸高表面壓力(>50N/mm2)處使用硬表層有困難。為了改善這一點(diǎn)，他使用了各種 FEM 工具和 BHM 程序進(jìn)行研究。同時(shí)，他在已有的試驗(yàn)臺(tái) [47] 上進(jìn)行柱塞摩擦力測試，使用 BHM 的計(jì)算只在較高的轉(zhuǎn)速吻合。通過在缸體孔底部開槽理論上可以改善柱塞邊緣壓力效應(yīng)，但不能被實(shí)驗(yàn)證明。改善摩擦條件和機(jī)械液壓效率不是該研究的主要目的，硬表層系統(tǒng)的優(yōu)良的摩擦特性可以帶來更多的效果，這在各個(gè)測試臺(tái)進(jìn)行梯度層測試時(shí)可以看到。

Breuer(2007)采用了剛性的壓電力傳感器作為柱塞的一部分，在馬達(dá)低速試驗(yàn)臺(tái)上測試了柱塞的摩擦力 ，通過測試和計(jì)算，揭示了摩擦力產(chǎn)生的關(guān)鍵機(jī)理，并用于改進(jìn)了柱塞設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)引出了柱塞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。

Gels(2011)研究了柱塞-缸體的硬表層及相應(yīng)形狀。為了取得更好的耐磨性能，摩擦副可以采用硬-硬組合來替代傳統(tǒng)的硬-軟組合：如采用調(diào)質(zhì)鋼加碳化鋯表層。但以往的跑和階段就不再發(fā)生了，因此，有必要，預(yù)先把柱塞和缸孔加工出一定的形狀。通過仿真，找出了適當(dāng)?shù)男螤顓?shù)，并考慮了加工工藝，然后在一個(gè)單柱塞試驗(yàn)臺(tái)，以及一臺(tái)完整的柱塞機(jī)械上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，硬-硬摩擦副可以提高承載能力，而精細(xì)的外形可以提高效率。

Enekes(2012)除了研究了 PVD 硬表層在不帶添加劑的合成酯中的摩擦損失外，還通過 CFD 方法研究了在泵殼體內(nèi)的油液由于被缸體旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)造成的能量損失，并通常了改善的措施。

Scharf(2014)繼續(xù)研究了梯度碳化鋯表層在快速生物降解液中的摩擦磨損特性。通過測試證明，可以顯著減小摩擦，提高耐久性。通過預(yù)先在柱塞和缸孔加工出球弧形，可以起到輔助作用。通過解析間隙中的潤滑狀況，考察了不同的球弧形參數(shù)，找出了最佳的形狀。

小 結(jié) ：從上文可以看到，對軸向柱塞機(jī)械的工作狀況，國外幾十年來，經(jīng)歷了，從簡單到復(fù)雜，從單一到綜合，持續(xù)不斷往前推進(jìn)的研究歷程，始終不變的是，理論結(jié)合測試，在測試驗(yàn)證的基礎(chǔ)上推進(jìn)理論，在此基礎(chǔ)上建立越來越綜合接近實(shí)際工況的仿真程序。目前世界先進(jìn)水平的柱塞泵的工作壽命，在沖擊很頻繁，如挖掘機(jī)的工況下，可以達(dá)到 8000 小時(shí)以上;在沖擊不頻繁，如起重機(jī)的工況下，可以達(dá)到 15000 小時(shí)以上;力士樂在 2010 年使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，完全重新設(shè)計(jì)的柱塞變量單元 A15VSO;近期出現(xiàn)的力士樂的 A4VHO 的工作壓力已可達(dá)到 630bar，都是這些長期持續(xù)研究的產(chǎn)業(yè)化結(jié)果。

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